Kuiper-beltet (uttales /ˈkœypər/ ) , [ 1 ] noen ganger kalt Edgeworth-Kuiper-beltet , er en circumstellar skive i det ytre solsystemet , som strekker seg fra banen til Neptun (ved 30 AU ) til rundt 50 AU av solen . [ 2 ] Det ligner på asteroidebeltet , men er mye større: 20 ganger så bredt og 20 til 200 ganger så massivt. [ 3 ] [ 4 ] I likhet med asteroidebeltet består det hovedsakelig av små kropper eller rester fra da solsystemet ble dannet . Mens mange asteroider hovedsakelig er sammensatt av stein og metall , er de fleste Kuiper-belteobjekter sammensatt hovedsakelig av frosne flyktige stoffer (referert til som "is"), som metan , ammoniakk og vann . Kuiper-beltet er hjemsted for tre offisielt anerkjente dvergplaneter: Pluto , Haumea og Makemake . Noen av solsystemets måner , som Neptuns Triton og Saturns Phoebe , kan ha sin opprinnelse fra regionen. [ 5 ] [ 6 ]
Kuiperbeltet er oppkalt etter den nederlandsk - amerikanske astronomen Gerard Kuiper , selv om han ikke forutså dets eksistens. I 1992 ble den mindre planeten (15760) Albion , det første Kuiperbelteobjektet (KBO ) siden Pluto og Charon, oppdaget. [ 7 ] Siden oppdagelsen deres har antallet kjente KBO-er vokst til tusenvis, og mer enn 100 000 KBO-er større enn 100 km i diameter antas å eksistere. [ 8 ] Kuiperbeltet ble opprinnelig antatt å være hoveddepotet for periodiske kometer, de med baner som varte mindre enn 200 år. Studier siden midten av 1990-tallet har vist at beltet er dynamisk stabilt og at kometenes sanne hjemsted er den spredte skiven, en dynamisk aktiv sone skapt av Neptuns utadgående bevegelse for 4,5 milliarder år siden. . [ 9 ] Spredte diskobjekter som Eris har ekstremt eksentriske baner som tar dem så langt som 100 AU fra solen. [ 12 ]
Kuiper-beltet er forskjellig fra den teoretiske Oort-skyen , som er tusen ganger mer fjern og for det meste sfærisk. Objekter i Kuiper-beltet, sammen med medlemmer av den spredte skiven og eventuelle Hills-skyer eller Oort-skyobjekter, kalles samlet trans -neptunske objekter (TNO-er ) . [ 13 ] Pluto er det største og mest massive medlemmet av Kuiperbeltet, og det største og nest mest massive kjente TNO, nest etter Eris i den spredte skiven. [ 12 ] Plutos status som en del av Kuiperbeltet ble opprinnelig ansett som en planet og førte til at den ble omklassifisert som en dvergplanet i 2006 . Den er komposisjonsmessig lik mange andre Kuiper-belteobjekter, og dens omløpsperiode er karakteristisk for en klasse KBO-er, kjent som " plutinos ".
Kuiperbeltet og Neptun kan behandles som en markør for solsystemets utstrekning, alternativene er heliopausen og avstanden som solens gravitasjonspåvirkning sammenlignes med andre stjerner (estimert mellom 50 000 AU og ca. 2 år ). lys ). [ 14 ]
Etter Plutos oppdagelse i 1930, spekulerte mange i at den kanskje ikke var alene. Regionen som nå kalles Kuiper-beltet har vært antatt på forskjellige måter i flere tiår. Først i 1992 ble det første direkte beviset på dens eksistens funnet. Antallet og variasjonen av tidligere spekulasjoner om Kuiperbeltets natur har ført til pågående usikkerhet om hvem som fortjener ære for først å foreslå det. [ 15 ]
Den første astronomen som antydet eksistensen av en trans-neptunsk befolkning var Frederick C. Leonard . Kort tid etter Clyde Tombaughs oppdagelse av Pluto i 1930, grunnet Leonard på om "det ikke var sannsynlig at Pluto hadde brakt frem i lyset den første av en serie ultra-neptunske kropper, hvor de gjenværende medlemmene fortsatt venter på oppdagelse, men til slutt var bestemt til å dø." bli oppdaget". [ 16 ] Samme år foreslo astronomen Armin O. Leuschner at Pluto «kan være en av mange langtidsplanetariske objekter som ennå ikke er oppdaget». [ 17 ]
I 1943, i Journal of the British Astronomical Association , antok Kenneth Edgeworth at, i regionen utenfor Neptun , var materialet i den opprinnelige soltåken for stor avstand til å kondensere til planeter, og dermed mer godt kondensert til et mylder av mindre kropper. Fra dette konkluderte han med at "det ytre området av solsystemet , utenfor banene til planetene, er okkupert av et stort antall relativt små kropper" [ 18 ] og at en av dem fra tid til annen "straver seg bort fra sin egen sfære og dukker opp som en sporadisk besøkende fra det indre solsystemet", [ 18 ] og blir en komet .
I 1951, i en artikkel publisert i Astrophysics: A Topical Symposium , spekulerte Gerard Kuiper at en lignende skive hadde dannet seg tidlig i solsystemets utvikling, men trodde ikke at et slikt belte fortsatt eksisterte i dag. Kuiper opererte under antagelsen, vanlig på den tiden, at Pluto var på størrelse med jorden og dermed hadde spredt disse kroppene inn i Oort-skyen eller ut av solsystemet. Hvis Kuipers hypotese var riktig, ville det ikke vært noe Kuiperbelte i dag. [ 19 ]
Hypotesen tok mange andre former i tiårene som fulgte. I 1962 postulerte fysikeren Al GW Cameron eksistensen av "en enorm masse av lite materiale i utkanten av solsystemet". [ 18 ] I 1964 trodde Fred Whipple , som populariserte den berømte " skitne snøballen "-hypotesen for kometstruktur , at et "belte av kometer" kan være massivt nok til å forårsake de påståtte avvikene i kometstrukturen. Uranus bane som hadde ført til søk etter Planet X , eller i det minste massiv nok til å påvirke banene til kjente kometer. [ 20 ] Observasjon utelukket denne hypotesen. [ 18 ]
I 1977 oppdaget Charles Kowal 2060 Chiron , en iskald planetoid som kretser mellom Saturn og Uranus. Han brukte et flimmermikroskop , den samme enheten som hadde tillatt Clyde Tombaugh å oppdage Pluto nesten 50 år tidligere. [ 21 ] I 1992 ble et annet objekt, 5145 Pholus , oppdaget i en lignende bane. [ 22 ] I dag er det kjent at en hel populasjon av kometlignende kropper, kalt kentaurer, eksisterer i området mellom Jupiter og Neptun . Kentaurbaner er ustabile og har en dynamisk levetid på noen millioner år. [ 23 ] Siden Chirons oppdagelse i 1977 har astronomer spekulert i at kentaurene derfor ofte må etterfylles av et eksternt reservoar. [ 18 ]
Senere kom ytterligere bevis for eksistensen av Kuiperbeltet fra studiet av kometer. Kometer har i noen tid vært kjent for å ha en begrenset levetid. Når de nærmer seg solen , får varmen deres flyktige overflater til å sublimere i verdensrommet, og gradvis spre dem. For at kometer skal forbli synlige under solsystemets tid, må de fylle på seg selv ofte. [ 24 ] Et slikt etterfyllingsområde er Oort-skyen, en sfærisk sverm av kometer som strekker seg utover 50 000 AU fra Solen, først antatt av den nederlandske astronomen Jan Oort i 1950. [ 25 ] Oort-skyen antas å være opprinnelsespunktet for langtidskometer, som er de, som Hale-Bopp , med baner som varer i tusenvis av år. [ 15 ]
Det er en annen populasjon av kometer, kjent som kortperiode- eller periodiske kometer, som består av de kometene som, i likhet med Halleys komet , har omløpsperioder på mindre enn 200 år. På 1970-tallet ble hastigheten som kortvarige kometer ble oppdaget stadig mer inkonsistent med at de bare oppsto fra Oort-skyen. [ 18 ] For at et skyobjekt fra Oort skal bli en korttidskomet, må det først fanges opp av de gigantiske planetene . I en artikkel publisert i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society i 1980, uttalte den uruguayanske astronomen Julio Fernández at for hver kortvarige komet som ble sendt inn i solsystemet fra Oort-skyen, ville 600 måtte kastes ut i det interstellare rommet . Han spekulerte i at et kometbelte på mellom 35 og 50 AU ville være nødvendig for å gjøre rede for det observerte antallet kometer. [ 26 ] I etterkant av Fernández sitt arbeid, kjørte det kanadiske teamet til Martin Duncan, Tom Quinn og Scott Tremaine i 1988 en serie datasimuleringer for å finne ut om alle observerte kometer kunne ha kommet fra Oort-skyen. De fant at Oort-skyen ikke kunne gjøre rede for alle kortperiodekometer, spesielt siden kortperiodekometer samler seg nær planet til solsystemet, mens Oort-skykometer har en tendens til å ankomme fra hvor som helst i solsystemet. Med et "belte", som Fernández beskrev det, lagt til formuleringene, samsvarte simuleringene med observasjonene. [ 27 ] Etter sigende, fordi ordene "Kuiper" og "kometbelte" dukket opp i åpningssetningen til Fernández sin artikkel, kalte Tremaine denne hypotetiske regionen til "Kuiperbeltet". [ 18 ]
I 1987 ble astronomen David Jewitt , da ved MIT, stadig mer forvirret over "den tilsynelatende tomheten i det ytre solsystemet". [ 7 ] Han oppmuntret daværende avgangsstudent Jane Luu til å hjelpe ham i hans forsøk på å lokalisere et annet objekt utenfor Plutos bane, fordi, som han fortalte henne, "Hvis vi ikke gjør det, vil ingen." [ 18 ] Ved å bruke teleskoper ved Kitt Peak National Observatory i Arizona og Cerro Tololo Inter- American Observatory i Chile , utførte Jewitt og Luu søket på samme måte som Clyde Tombaugh og Charles Kowal gjorde , med et flimmermikroskop . [ 18 ] Opprinnelig tok undersøkelsen av hvert par plater omtrent åtte timer, [ 18 ] men prosessen ble fremskyndet med fremkomsten av ladekoblede elektroniske enheter, eller CCD-er, som, selv om synsfeltet deres var smalere, ikke bare var de mer effektive til å samle lys (de beholdt 90 % av lyset som traff dem, i stedet for de 10 % som ble oppnådd med fotografier), men det gjorde at blinkeprosessen ble gjort virtuelt, på en dataskjerm. I dag danner CCD-er grunnlaget for de fleste astronomiske detektorer. [ 18 ] I 1988 flyttet Jewitt til Institute for Astronomy ved University of Hawaii. Luu ble senere med ham for å jobbe på University of Hawaiis 2,24m teleskop på Mauna Kea . [ 18 ] Etter hvert ble CCDs synsfelt økt til 1024 med 1024 piksler, noe som gjorde at søk kunne utføres mye raskere. [ 18 ] Til slutt, etter fem års leting, annonserte Jewitt og Luu den 30. august 1992 "Oppdagelsen av kandidaten Kuiper belteobjekt 1992 QB1 ". [ 7 ] Seks måneder senere ble et annet objekt oppdaget i regionen, (181708) 1993 FW. [ 29 ] I 2018 hadde mer enn 2000 Kuiper-belteobjekter blitt oppdaget. [ 30 ]
Mer enn tusen kropper ble funnet i ett belte i løpet av de tjue årene (1992-2012), etter å ha funnet 1992 QB1 (navngitt i 2018, 15760 Albion), som viser et enormt belte med flere kropper enn Pluto og Albion. [ 31 ] Fra og med 2010-årene er hele omfanget og naturen til Kuiper-beltekropper stort sett ukjent. [ 31 ] Til slutt, på slutten av 2010-tallet, ble to Kuiper-belteobjekter zoomet inn av et ubemannet romfartøy , noe som ga mye nærmere observasjoner av det Plutonske systemet. [ 32 ]
Studier siden den trans-neptunske regionen først ble kartlagt har vist at regionen som nå kalles Kuiper-beltet ikke er opprinnelsespunktet for kortperiodekometer, men snarere at de stammer fra en sammenkoblet populasjon kalt den spredte skiven. Den spredte skiven ble skapt da Neptun migrerte utover inn i proto-Kuiper-beltet, som var mye nærmere Solen på den tiden, og etterlot i kjølvannet en populasjon av dynamisk stabile objekter som aldri kunne bli påvirket av dens bane ( Kuiper-beltet egentlig ), og en populasjon hvis perihelioner er nær nok til at Neptun fortsatt kan forstyrre dem mens den reiser rundt Solen (den spredte skiven). Fordi den spredte skiven er dynamisk aktiv og Kuiperbeltet relativt dynamisk stabil, regnes den spredte skiven nå som det mest sannsynlige opprinnelsespunktet for periodiske kometer. [ 33 ]
Astronomer bruker noen ganger det alternative navnet Edgeworth-Kuiper-belte for å kreditere Edgeworth , og Kuiper-belteobjekter er noen ganger kjent som "Edgeworth-Kuiper-objekter". Brian G. Marsden hevder at ingen av dem fortjener sann ære: "Verken Edgeworth eller Kuiper skrev noe eksternt som det vi ser nå, men Fred Whipple gjorde det." [ 18 ] David Jewitt kommenterer: "Om noe vil jeg si at J. Fernandez nesten fortjener æren for å forutsi Kuiperbeltet basert på klare utsagn og fysiske resonnementer. Hans artikkel fra 1980 ( Monthly Notices of the Royal Astronomical Society , 192, 481) -491 ) fortjener en nøye lesning". [ 19 ]
Kuiper-belteobjekter kalles noen ganger "kuiperoids", et navn foreslått av Clyde Tombaugh . [ 34 ] Ulike vitenskapelige grupper anbefaler begrepet "trans-neptunsk objekt" (TNO) for objekter i beltet fordi begrepet er mindre kontroversielt enn alle de andre; det er imidlertid ikke et eksakt synonym, ettersom TNO-er inkluderer alle objekter som går i bane rundt solen utenfor Neptuns bane, ikke bare de i Kuiper-beltet.
Kuiper-beltet kalles noen ganger Edgeworth -beltet eller Edgeworth-Kuiper-beltet . Noen astronomer bruker enda lengre navn, for eksempel Leonard-Edgeworth-Kuiper-beltet . Selv om betegnelsen på "trans-neptunske objekter" anbefales av visse grupper av astronomer, siden det ville unngå kontroverser mellom de mer personlige navnene. Strengt tatt er "trans-neptunsk objekt" ikke synonymt med "Kuiperbelteobjekter", siden førstnevnte også inkluderer andre objekter som befinner seg utenfor solsystemet .
Mer enn 800 Kuiperbelteobjekter (KBO) er observert . I lang tid hadde astronomer ansett Pluto og Charon for å være de eneste store objektene i denne gruppen.
Imidlertid ble Quaoar 4. juni 2002 (50000) oppdaget, et objekt av uvanlig størrelse. Denne kroppen viste seg å være halvparten så stor som Pluto. Siden den også var større enn månen Charon, ble den for en tid det nest største objektet i Kuiperbeltet. Andre mindre Kuiper-belteobjekter har blitt oppdaget siden den gang.
Den 13. november 2003 ble imidlertid oppdagelsen av en stor kropp mye lenger unna enn Pluto, som de kalte Sedna , annonsert . Objekt 90337 Sedna detroniserte Quaoar som det nest største trans-neptunske objektet. Medlemskapet i Kuiper-beltet blir stilt spørsmål ved av noen astronomer som anser det for å være et legeme som er for langt unna, kanskje representativt for den nedre grensen til Oort-skyen . I dette tilfellet vil (148209) 2000 CR 105 også tilhøre denne klassen.
Overraskelsen kom 29. juli 2005 da oppdagelsen av tre nye objekter ble annonsert: Eris , Makemake og Haumea , sortert fra største til minste. Til å begynne med ble Eris antatt å være større enn selve Pluto, og det er grunnen til at den fikk kallenavnet den tiende planeten og ble på den tiden betraktet som den legendariske Planet X. Imidlertid avslørte NASAs New Horizons-sonde i 2015 at Plutos diameter er 2370 kilometer, eller omtrent 80 kilometer større enn tidligere estimater, og derfor vet vi nå med sikkerhet at Eris (2326±12 km) er litt mindre enn Pluto. [ 35 ] Eris tilhører strengt tatt ikke Kuiperbeltet. Den er medlem av den spredte disken fordi dens gjennomsnittlige avstand fra solen er 67 AU.
Den nøyaktige klassifiseringen av alle disse objektene er ikke klar siden observasjonene gir svært lite informasjon om deres sammensetning eller overflater. Selv estimater av størrelsen er tvilsomme siden de i mange tilfeller bare er basert på indirekte data om dens albedo sammenlignet med andre lignende kropper som Pluto.
KBO-er ( Kuiper Belt Objects ) er objekter med baner mellom 30 og 50 AU fra Solen . De går i bane rundt ekliptikkens plan , selv om tilbøyelighetene deres kan være ganske høye.
Noen KBO-er er i orbital resonans med Neptun . Deres omløpsperiode er hele brøkdeler av Neptuns omløpsperiode. Objekter i 1:2 og 2:3 resonans kalles henholdsvis twotinos og plutinos .
Opprinnelsen og den nåværende strukturen til Kuiper-beltet forblir uklare ettersom astronomer venter på Pan-STARRS-teleskopet , som skal lokalisere mange flere KBO-er og forstå mange aspekter ved dannelsen av solsystemet.
Ulike datasimuleringer av gravitasjonsinteraksjonene i solsystemets formative periode indikerer at Kuiperbelteobjekter kunne ha blitt skapt lenger inne i det indre solsystemet og blitt forskjøvet til deres nåværende posisjoner mellom 30 og 50 AU av interaksjoner med Neptun og Uranus forårsaket i sin tur ved gravitasjonspåvirkningen fra Jupiter som går inn i en 2:1-resonans med Saturn , og sprer dermed planetesimalene som ville utgjøre Kuiper-beltet og den spredte skiven , en annen ytterste region av solsystemet. [ 36 ]
Disse simuleringene indikerer at det kan være noen gjenstander med betydelig masse i beltet, muligens på størrelse med Mars .
Tallrike KBO-søkeprogrammer er for tiden under utvikling. New Horizons romsonde , det første oppdraget dedikert til å utforske Kuiper-beltet, ble skutt opp 19. januar 2006 og nådde nærmeste avstand til Pluto 14. juli 2015. Vel forbi Pluto er det planlagt å utforske en eller flere KBO-er. De spesifikke KBO-ene som skal utforskes er ennå ikke bestemt, men de bør være mellom 40 og 90 km i diameter og ideelt sett være hvite eller grå for å kontrastere med Plutos rødlige farge. [ 37 ]
Kuiperklippen er navnet forskerne gir til den lengste delen av Kuiperbeltet . Det er en ukjent som har eksistert i årevis. Tettheten av objekter i Kuiperbeltet avtar dramatisk, derav klippenavnet . [ 38 ]
Ulike hypoteser brukes for denne anomalien, den mest aksepterte forklarer at det faktisk er en populasjon av objekter i den fjerneste delen av Kuiperbeltet, bare at de ennå ikke er gruppert i mer massive objekter av tilstrekkelig størrelse slik at de kan observeres og oppdaget. Den andre hypotesen forklarer at objektene i dette området ble feid bort av en planetarisk kropp som måtte være på størrelse med Jorden eller Mars , noe som antyder at det ville være en hypotetisk trans-neptunsk planet. [ 39 ]